钢轨打磨技术及磨具研究进展 [复制链接]

转载自金刚石与磨料磨具工程

河南工业大学邹文俊/文

河南工业大学超硬材料与磨料磨具精密加工技术团队，始建于年，年入选河南省超精密加工技术创新团队，团队现有科研人员35人(包括17名教授、17名副教授，其中博士25名)。主要研究方向为：高温树脂金刚石/CBN磨具制备技术，高精密柔软金刚石涂附磨具制备技术，低温陶瓷结合剂金刚石/CBN磨具制备技术，磨料磨具磨削基础理论研究、PCD/PCBN复合片制备技术以及金属基超硬磨具的研究等。团队在高铁轨道、智能手机、汽车关键零部件、飞机发动机叶片、高精度轴承、刀具刃具、单晶硅/多晶硅、工程陶瓷、微晶玻璃、石材、高档家具等的精密研磨抛光方面获得了一批原创成果，并已广泛应用。

团队在国内外学术刊物上发表论文余篇，出版超硬材料和磨料磨具专业教材及著作21部；承担国家重大专项、省部级重大重点项目等40余项，获得省部级科技进步奖14项；获得国家发明专利46项，其成果直接转让经费余万元，创造直接经济效益20亿元。

铁路是我国的重要基础设施，在我国综合交通运输体系中处于骨干地位，为国家经济发展提供了重要支撑。近些年，随着我国铁路技术的不断发展与快速进步，钢轨作为铁路系统的核心部件，在为列车提供承载和导向作用的同时，所承受的运行负载也日益加重。滚动接触疲劳和磨损是影响钢轨使用寿命的主要原因，其中常见的接触疲劳包括轨头裂纹、塌陷、剥离、肥边以及钢轨擦伤，钢轨磨损有垂直磨耗、侧面磨耗、波浪形磨耗(简称波磨)等(部分如图1)。这些问题如果得不到及时的维护和修复，将会大大缩短钢轨的使用寿命，甚至带来严重的安全问题。

图1钢轨常见损伤

大量实践和研究表明，钢轨打磨是可有效修复钢轨缺陷问题的重要技术手段。我国经过近十几年的发展，从最初只能依靠人工打磨维护钢轨，到现在拥有自主知识产权的打磨设备，在钢轨维护领域进步巨大。但是和国外相比，我国在打磨技术应用领域仍有不小的差距，特别是打磨磨具制造领域。为此，本文将对我国钢轨打磨技术与磨具应用现状进行论述分析，并给出未来发展的方向及建议。

1钢轨打磨分类及我国钢轨维护现状

1.1钢轨打磨分类

目前，钢轨打磨分类方法较多，许多研究机构、学者按照打磨目的或者打磨区域的不同，对钢轨打磨做出了不同的归纳。例如：根据打磨目的，可以将钢轨打磨分为预备性打磨、预防性打磨和修复性打磨；根据打磨区域可以将钢轨打磨分为表面打磨和外形打磨。但究其根本，笔者认为钢轨打磨可以分为2大类：(1)病害发生前的保养打磨；(2)病害发生后的校正打磨。校正打磨打磨量通常为1～1.5mm，而保养打磨打磨量仅为0.05～0.2mm。

校正打磨即在发现钢轨产生病害后，使用各种维护手段对钢轨进行修复，是我国最早使用的钢轨维护理念和维护方式。然而这种维护方式打磨周期长、对钢轨去除量大，为此在钢轨病害发生前的保养打磨应运而生。保养打磨既可以对开通运行前的新钢轨进行脱碳层和廓型修整，又可以对已投入运营的钢轨进行固定周期打磨，把即将发生的钢轨病害消除于萌芽状态。实践证明，保养打磨可以大大减少钢轨病害的发生、延长钢轨的使用寿命。

1.2我国钢轨维护现况

至年底，我国总计拥有16条铁路运营总线，线路延展长度近15万公里，其中高速铁路3.5万公里，位居世界第一。随着运营车次和高速列车数量的不断增加，铁道维护窗口期也在不断地缩短，高速、高效、高质量的打磨已经成为发展的必然趋势。

图2和图3分别为钢轨轨面裂纹和波磨产生的主要原因。裂纹和波磨是常见钢轨病害，车轮与钢轨接触面的多次挤压与振动会导致钢轨的接触疲劳与磨损。每当列车车轮通过这些轨面缺陷时均会产生一次冲击，日积月累的使用负载使这些缺陷发展成病害。现阶段国内使用的打磨设备普遍以铣磨、砂带磨和端面磨为主，这类设备适用于校正打磨，存在打磨速度慢、效率低等问题，已逐渐无法适应发展需求。

图2钢轨裂纹

图3钢轨轨面波磨

在磨具方面，传统工艺的重负荷磨钢轨砂轮或砂带也同样存在耐磨性差、寿命低、材料强度不足、易烧伤钢轨、高含硫、高粉尘等问题。以96头钢轨打磨车用端面磨砂轮为例，常规打磨后砂轮极易出现裂纹与烧伤钢轨等问题，如图4所示。这不仅会降低钢轨打磨效率，影响钢轨养护质量，严重情况下砂轮一旦碎裂还会引起安全问题。为此，提升钢轨打磨技术与磨具制造技术迫在眉睫。

图4常规打磨后出现的问题

2钢轨打磨技术

钢轨打磨是在打磨机械和打磨磨具的共同作用下，对钢轨顶部和钢轨廓形进行磨削作业，以降低轨头磨损和消除缺陷。钢轨打磨车是近些年的主要钢轨维护设备，常用的有GMC-96x型、PGM-48型、HSG-2型钢轨打磨车。

在此仅讨论常用钢轨打磨车的打磨技术类型，可分为主动打磨和被动打磨。

2.1主动打磨技术

主动打磨技术又称为端面打磨技术，是现阶段使用最广泛的打磨方式。它是由主轴动力驱动磨具自旋转，在一定压力以及列车行进速度条件下，磨具端面沿钢轨截面布置对钢轨进行打磨，打磨深度大、打磨速度低，主要配装于48头和96头钢轨打磨车。

主动打磨参数方面，打磨砂轮转速r/min，打磨角度范围钢轨内侧-70°到外侧+20°，最小作业曲线半径m。48头打磨车作业速度为8～12km/h，打磨遍数3～4遍；96磨头打磨车的作业速度一般为15～20km/h，打磨遍数2遍。打磨后要求钢轨表面粗糙度Ra10μm，打磨面无连续蓝色烧伤带，平直度不大于0.2mm/m。

近些年关于主动打磨的研究内容较为丰富。西南交通大学的团队根据砂轮形貌进行仿真建模，采用光滑粒子流体动力学(SPH)法和正态分布，仿真分析不同打磨参数对磨削力、打磨去除量、表面粗糙度及表面形貌的影响。研究表明：打磨转速增大磨削力小幅度减小，打磨去除量显著增大；表面粗糙度随打磨转速的增大而减小，随打磨深度的増加而增大。他们也对主动打磨钢轨-磨具界面摩擦学行为进行研究，并设计打磨试验机，对不同打磨转速、压力对钢轨的去除行为进行试验，研究表明：转速增大摩擦系数降低，温度变化増大，钢轨表面硬度和塑性变形层厚度增大，磨削震动增强。北京交通大学的团队基于主动打磨的原理建立了磨粒与钢轨接触的几何模型和受力模型，分析磨粒切削深度与打磨设定功率的理论关系，并仿真研究被测区域的钢轨打磨效果。

研究表明：砂轮的平均打磨深度与输出功率成正比；砂轮在钢轨轨顶部位的打磨会形成最宽的打磨带以及最大的打磨横断面面积，而轨肩部位的打磨带则较窄且打磨横断面面积较小。他们也以GMC-96型钢轨打磨列车为研究对象，研究了钢轨主动打磨模式编制方法，开发了打磨模式软件，为钢轨主动打磨作业提供更多种、更高效的打磨模式。

2.2被动打磨技术

被动打磨通常也被称为高速打磨，又称为托磨或者滚磨，其英文全称为highspeedgrinding(简称HSG)。这种打磨技术是磨具无自转动力，通过调整磨具轴向与轨面的夹角和压力，在打磨车牵引下磨具在轨面形成非纯滚动的相对运动，从而实现磨具对轨面的磨削。被动打磨速度快，通常为60～80km/h，更适用于维护空窗期短的钢轨保养打磨。

被动打磨后的钢轨表面与主动打磨后的钢轨表面形貌有很大的区别，二者对比如图5所示。主动打磨后的钢轨磨痕为横向标记，打磨后钢轨存在纵向波纹且有刻面；而被动打磨后的磨痕为斜线打磨标记，打磨后钢轨表面无波纹、无刻面。目前国内使用的被动打磨设备是德国VOSSLOH公司生产的HSG-2型钢轨打磨车，打磨遍数为3遍/次，材料去除量仅为0.05mm，打磨后表面粗糙度为2～8μm。由于被动打磨和传统磨削方式不同，仅利用钢轨与磨具的摩擦关系进行打磨，其磨削及设计原理在国内外均属于保密技术，国外未见有相关文献公布，国内也仅有西南交大对其进行了探索性试验，其磨削机理及磨削参数对于磨削效果的影响有待进一步研究。

图5磨削面形貌对比

3钢轨打磨磨具

打磨磨具是钢轨维护中必不可少的组成部分，但是并没有得到足够的重视。我国从20世纪90年代初引入钢轨打磨车后，打磨车搭载的磨具就大量依赖国外进口，其原因有2方面：(1)当时国产磨具耐用度低、抗冲击性差、易破裂；(2)国产磨具无法适应打磨车的磨削参数，经常导致钢轨烧伤发蓝，磨削效果差。但经过二十多年的发展，国产磨具从砂轮结构、制作原料甚至生产工艺上都有了长足的进步，再加上近些年国内外专家学者对钢轨打磨技术理论的深入研究，钢轨打磨磨具实现国产化势在必行。

3.1磨具制造技术

在主动打磨磨具制造方面，有企业开发出了一种低磨削烟尘的磨钢轨砂轮及其制备方法，使用蓝晶石和硅灰石替代硫铁矿，大幅减少了粉尘中的含硫量，降低了磨削作业对环境的污染。中国铁道科学研究院金属及化学研究所的研究团队使用4种不同种类酚醛树脂制造磨钢轨砂轮，研究了结合剂对砂轮磨削效果的影响，结果表明：在制备磨具时应选用高耐热、韧性好的树脂结合剂；SP#树脂耐热性最好，磨削比最高。南京航空航天大学的研究团队使用钎焊技术和传统热压技术开发出一种新型磨钢轨复合砂轮，将金刚石钎焊插片热压置入磨钢轨砂轮中并进行磨削试验，结果表明：与传统重负荷树脂砂轮相比，打磨后钢轨温度峰值下降10%左右，工件表面粗糙度降低9%以上。

他们也开发出一种新型多层钎焊超硬磨料复合砂轮及其制作方法，将预制的金刚石钎焊结块依砂轮尺寸和形状规则排列，使用钎焊工艺将磨块与砂轮基体进行焊接，最后再利用树脂热压工艺使砂轮最终成型。多层钎焊超硬磨料复合砂轮的质量轻，磨料把持力强，磨削钢轨的效率高。

关于被动打磨磨具制造技术方面，国内现阶段使用的被动打磨砂轮基本处于国外垄断状况，由于技术保密等问题，未见有相关的研究成果或发明专利。

河南工业大学材料学院磨具研发团队近期研制出一种新型超硬磨料复合磨钢轨砂轮，砂轮原料使用了自主研发的超硬堆积磨料、自主改性结合剂以及新型填料，并改进了砂轮生产工艺，使砂轮耐用度相比同种类国外进口砂轮提升70%。这种技术同时适用于制造主动打磨和被动打磨砂轮，砂轮具有高耐热、耐冲击等特性，正在逐步投入市场。

3.2发展方向

针对磨料磨具行业特点以及钢轨维护现状等综合条件，当下钢轨打磨磨具应从新材料、新结构、绿色环保等3个方向进行发展与转型。

(1)新材料。传统钢轨打磨磨具普遍以树脂重负荷砂轮为主，但由于这类普磨磨具存在寿命短、效率低、污染高、易烧伤等问题已难以适应发展需求，新材料的研发与使用已成为钢轨打磨磨具制造行业的发展方向之一。磨料方面，金刚石、CBN等超硬磨料的使用已成为趋势，如何合理地将其加入到钢轨打磨砂轮中使其既能提高砂轮的使用寿命与磨削效率，又不破坏砂轮的整体强度将是研究的方向之一。结合剂方面，传统酚醛树脂结合剂由于耐热性和抗冲击性不足已逐渐被淘汰，改性新型树脂结合剂的研发将成为发展的关键；此外，多种类复合结合剂的使用(如：树脂金属复合结合剂)也将成为发展方向之一。填充材料方面，由于传统填料存在高含硫、高污染等特点，且易导致钢轨烧伤，环保型相变散热助磨填料的研发将成为重点。

(2)新结构。在保证砂轮回转强度的基础上，对传统砂轮的结构进行创新，将新材料以新的结构形式复合在一起制成复合型砂轮，对传统砂轮生产工艺进行改良创新，是钢轨打磨砂轮发展的另一方向。

(3)绿色环保。随着“十三五”规划的提出，绿色环保成为铁路养护工作的基本要求之一。由于传统磨具在对钢轨的打磨作业中会排放出大量粉尘和有毒有害气体(如二氧化硫)，对传统磨具的生产技术进行升级，制造低粉尘、低污染的环保型磨具制品将成为时代的发展趋势。

4结语

综上所述，近年来我国的铁路事业取得了举世瞩目的成就，同时钢轨维护产业也获得了长足的进步与发展。钢轨维护方式已从发现钢轨病害后的校正打磨逐渐转变为以预防、养护为主的保养打磨。打磨设备的升级与多样化已成为现实，主动打磨、被动打磨等适用于不同路况的钢轨打磨技术已投入使用。

但是国内目前和钢轨打磨技术配套使用的打磨磨具仍大量依赖国外进口，国内钢轨打磨磨具制造业面临技术升级与产业转型困难。对此，应从中国的基本国情出发，立足于国内各大路段钢轨不同的养护特点，有针对性地开发与打磨设备和打磨技术配套的自主打磨磨具，集中产学研用等行业优质资源，在已有基础上开展深入的理论研究和技术攻关工作，以打破国外技术封锁，全面提升我国高速铁路钢轨打磨自主养护能力。

5本期论文点评

磨削压力及速度对钢轨波动打磨性能的影响

高铁作为最主要的交通方式，在国内已规划和建成日益完善的网络。我国已成为世界高铁里程最长、速度最快的国家，高铁产品和技术也开始走向世界。轨道作为高铁最基础的设施，其表面完整性显著影响高铁的运行安全。然而，钢轨在服役过程中，轨面在高速、重载车轮的长期滚压作用下，形成的波纹、接触疲劳、边部压溃等表面损伤将影响高铁的运行平顺性及安全性。为减少和消除钢轨表面缺陷，打磨已成为钢轨维护必不可少的手段。因此，研究打磨机理及开发打磨磨具磨削实验平台具有重要的意义。

作者在模拟钢轨被动打磨方式的实验平台上，模拟被动磨削相应条件，如打磨列车速度、磨削压力、砂轮磨具相应机械性能等。通过研究不同磨削条件对磨削力、磨削速度、磨削效率及钢轨表面粗糙度的影响，揭示了打磨速度、磨削压力、磨削时间、砂轮相对铁轨角度对磨削性能的作用效果。对研究被动打磨磨削工艺参数、磨具性能及其磨削机理提供了具有参考价值的实验数据和参考分析。

论文对砂轮相对铁轨角度变化的影响分析较少，仅考虑了45°，该方面还可以进行更深入的研究。

钢轨打磨复合砂轮磨削温度场的研究

钢轨打磨过程中，钢轨很容易出现烧伤、发蓝现象，降低磨削热、控制散热条件或者加入相变材料(热吸收材料)是树脂砂轮打磨钢轨的关键技术。本论文运用钎焊金刚石插片复合砂轮，研究砂轮磨削时的温度场变化。研究表明，相同打磨条件下，复合砂轮磨削产热少，且磨削面最高温度可降低10%，其结果对钢轨打磨防止烧伤有一定的理论指导意义。

论文对温度降低10%的原因分析相对较少，其磨削机理对温度的影响还可以深入探讨。